從冰點到火場：鋰電池如何通過惡劣溫度的嚴酷安全大考？

摘要：

       在世界能源轉型與電動化浪潮中，鋰電池已成為儲能與動力系統的核心。然而，其性能與安全邊界高度依賴溫度環境。惡劣低溫可能導致電池性能驟降、充電析鋰引發內短路；惡劣高溫則可能加速副反應、觸發熱失控連鎖反應，造成起火爆炸等嚴重事故。因此，科學、系統、前瞻性地評估鋰電池在惡劣溫度下的安全性，不僅是產品研發與質量控制的生死線，更是保障消費者生命財產安全、推動行業健康可持續發展的基石。這項測試超越了常規性能評估，直指電池系統在最嚴苛條件下的失效機理與安全冗余，是技術成熟度的最終試金石。

一、惡劣溫度：鋰電池安全風險的“放大器”與“觸發器”

鋰電池的工作本質上是鋰離子在正負極間嵌入與脫出的電化學過程，該過程對溫度極為敏感。惡劣溫度從物理、化學等多維度沖擊電池的安全邊界：

1、惡劣低溫（通常指-20°C及以下）風險：
在低溫下，電解液粘度急劇增加，離子電導率下降，導致電池內阻顯著上升。充電時，鋰離子在負極表面的嵌入變得困難，被迫在表面還原形成金屬鋰枝晶。這些枝晶可能刺穿隔膜，引發正負極內部短路，瞬間釋放大量熱量。同時，低溫下電池可用容量驟減，若管理不當，深度放電可能引發電極結構破壞。

2、惡劣高溫（通常指60°C及以上）風險：
高溫極大加速了電池內部所有化學反應的速率。電解液分解、正負極活性材料與電解液間的副反應（如SEI膜持續生長與分解）、粘結劑失效等過程加劇。這些副反應多是放熱反應，產生熱量和氣體。當熱量積累速度超過散熱能力，電池溫度會進入不可控的自我加速上升階段，即熱失控。高溫還可能直接導致隔膜收縮熔融，喪失隔離功能，造成大面積內短路。

因此，惡劣溫度測試的目的，不僅是觀察電池是否“工作”，更是要探查其從正常狀態到故障、直至失效的全過程行為，識別熱失控觸發條件與臨界點，評估其被動安全設計（如隔膜閉孔特性、熱穩定材料）與主動管理系統（BMS）在極限條件下的干預有效性。

二、構建多層級、多場景的系統性測試評估體系

鋰電池惡劣溫度安全測試是一個系統工程，需從材料、電芯、模組到系統包層級遞進，并結合濫用條件與模擬真實場景。

1. 材料與電芯層級的基礎安全篩查
此層級關注內在熱穩定性。通過差示掃描量熱儀、熱重分析儀等，測量正負極材料、電解液、隔膜等關鍵組分在升溫過程中的熱反應起始溫度、放熱峰值及熱量。對電芯進行絕熱熱失控測試（如采用加速量熱儀ARC），精確測定其自生熱起始溫度、熱失控觸發溫度及較大溫升速率，量化其熱穩定性“本征”參數。同時，進行高低溫循環測試，考察溫度交變對電芯界面穩定性、容量衰減及內阻增長的影響。

2. 模組與系統層級的集成安全評估
此層級評估機械、熱、電設計集成后的安全表現。測試包括：

• 惡劣溫度充放電性能與邊界測試： 在設定溫度箱中，測試電池在惡劣高低溫下的充電接受能力、放電容量及功率特性，明確安全操作窗口（電壓、電流、溫度）。

• 溫度濫用與熱失控傳播測試： 對模組或系統包進行高溫擱置、加熱（如烘箱加熱、局部加熱棒觸發）測試，監測熱失控是否發生、觸發點溫度、以及火焰、噴射物特性。關鍵考核熱失控在模組內的蔓延速度及阻隔設計（如隔熱材料、冷卻系統響應）的有效性。

• 機械-溫度耦合濫用測試： 模擬惡劣溫度環境下的機械沖擊，如冷/熱沖擊后立即進行針刺、擠壓或跌落測試，評估材料脆化或軟化后的機械完整性。

3. 模擬真實使用與故障場景的綜合性測試
前瞻性測試需貼近最嚴苛的應用場景。例如：

• 全氣候環境模擬測試： 在環境模擬倉中，復現從極寒（如-40°C）到酷熱（如85°C）的快速溫度交變、高海拔低氣壓高溫等復雜工況，考核電池包密封性、熱管理系統（BTMS）的適應性及長期可靠性。

• 故障注入測試： 人為模擬BMS傳感器失效、冷卻系統故障、單體電池短路等場景，在惡劣溫度背景下，評估系統進入安全狀態（如進入跛行模式、緊急斷電）的魯棒性與失效降級策略。

三、挑戰與前瞻：從測試驗證走向智能預測與本質安全

當前測試體系雖日益完善，但仍面臨挑戰：測試成本高昂、周期長；熱失控等破壞性測試難以重復；實驗室條件難以全部復現無限多樣的真實惡劣場景。未來測試技術將向更高效、更精準、更本質的方向演進：

1. 多尺度仿真與數字孿生技術的深度融合
構建從微觀電極反應到宏觀系統熱管理的多物理場耦合高保真仿真模型。通過有限數量的實體測試數據對模型進行標定與驗證，形成電池的“數字孿生體”。借此，可在虛擬空間中快速、低成本地進行海量惡劣場景模擬、參數敏感度分析與安全邊界探索，大幅減少實物測試需求，并實現從“測試驗證后設計”到“仿真驅動設計”的轉變。

2. 當先原位監測與早期預警技術的應用
發展嵌入或貼附于電池內部的關鍵參數原位傳感技術，如嵌入式光纖光柵傳感器實時監測內部溫度與應變、超聲探測技術監測電解液干涸與析鋰等。結合大數據與人工智能算法，分析多傳感器信號在惡劣溫度下的早期異常特征，實現熱失控等嚴重故障的分鐘級甚至更早期的預警，變被動防護為主動干預。

3. 面向新型電池體系的前置安全設計
測試不僅用于驗證，更應引導下一代本質安全電池材料的開發。如針對固態電池、新型高安全性電解液、耐高溫隔膜等，建立其才有的惡劣溫度安全測試協議與評價標準，從材料源頭提升電池的熱穩定性和安全性閾值。

四、結論：以極限測試護航能源革命的未來

        對鋰電池惡劣溫度安全性的嚴苛測試，是技術自信的來源，更是產業責任的體現。它如同為飛速發展的鋰電池技術裝上了一套精密的“探傷雷達”與“壓力測試系統”，確保其在拓展應用邊疆（如深空探測、極地科考、全天候電動汽車）的同時，根基穩固，風險可控。通過不斷完善多層級測試體系，并積極融合仿真、智能傳感等前瞻性技術，我們不僅能為現有產品劃定清晰的安全紅線，更能為下一代電池技術的安全設計指明方向。唯有經得起惡劣溫度淬煉的電池，才能真正承載起人類對清潔、安全、可持續能源未來的深切期望。